測(cè)量塔定位系統(tǒng)在港珠澳大橋沉管安裝中的應(yīng)用

成益品

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

在傳統(tǒng)的大型橋梁、隧道工程控制測(cè)量過程中，多通過GPS定位系統(tǒng)、經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量設(shè)備進(jìn)行。港珠澳大橋隧道工程在最大水深44 m的條件下，建設(shè)長(zhǎng)達(dá)5 664 m、共計(jì)33節(jié)管節(jié)的沉管隧道在全世界尚屬首次。沉管沉放對(duì)接控制標(biāo)準(zhǔn)要求水平向與設(shè)計(jì)軸線間的偏差：直線段50 mm，曲線段40 mm。由于傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法受作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、氣候、環(huán)境、誤差積累等條件影響顯著[1]，難以滿足設(shè)計(jì)精度要求，為此，研究開發(fā)了專用的測(cè)量塔定位系統(tǒng)。

1 測(cè)量塔法工作原理與特點(diǎn)

測(cè)量塔定位系統(tǒng)是將光學(xué)測(cè)量、GPS測(cè)量[2]與水下測(cè)量定位技術(shù)相結(jié)合的一種測(cè)量方法，主要由GPS定位、全站儀檢核、傾斜儀改正、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、貫通測(cè)量復(fù)核等組成。

管節(jié)預(yù)制完成后，在預(yù)制廠干塢內(nèi)對(duì)管節(jié)頂面、端面及內(nèi)部特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，二次舾裝后管節(jié)出塢前完成對(duì)管節(jié)測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡與管節(jié)頂面特征點(diǎn)的關(guān)系測(cè)量，結(jié)合在干塢內(nèi)的標(biāo)定結(jié)果，確定測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡與管節(jié)各特征點(diǎn)之間的關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡的標(biāo)定。管節(jié)浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)開始沉放，通過架設(shè)在測(cè)量平臺(tái)上的全站儀同步觀測(cè)測(cè)量塔頂棱鏡，同時(shí)通過測(cè)量塔頂GPS實(shí)時(shí)同步采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)，管節(jié)內(nèi)傾斜儀也同步采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件實(shí)時(shí)處理全站儀、GPS和傾斜儀數(shù)據(jù)，解算出管節(jié)的空間位置及姿態(tài)，指導(dǎo)管節(jié)的沉放對(duì)接施工。測(cè)量塔法定位原理示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量塔法定位原理圖Fig.1 Positioning principleof measuring tower method

2 測(cè)量塔系統(tǒng)標(biāo)定

管節(jié)特征點(diǎn)的正確標(biāo)定是計(jì)算管節(jié)沉放位置的重要環(huán)節(jié)。通過建立管節(jié)上的各特征點(diǎn)與測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡位置關(guān)系，指導(dǎo)沉管沉放到正確位置。

2.1 特征點(diǎn)一次標(biāo)定

管節(jié)預(yù)制完成后，在干塢內(nèi)按常規(guī)測(cè)量方法對(duì)管節(jié)頂面、端面及內(nèi)部特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，主要是對(duì)各部位特征點(diǎn)相對(duì)于管節(jié)軸線及基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)與幾何尺寸的精確測(cè)定。管節(jié)端面特征點(diǎn)布設(shè)在管節(jié)S1、S8節(jié)段的端面，頂面特征點(diǎn)布設(shè)在管頂，P1~P4平面特征點(diǎn)布置見圖2。

圖2 管節(jié)頂面特征點(diǎn)布置圖Fig.2 Plan of the feature pointsat the top of tube

內(nèi)部特征點(diǎn)布設(shè)在管節(jié)中管廊內(nèi)的首、中、尾端，主要用于貫通復(fù)核測(cè)量，見圖3。

2.2 特征點(diǎn)二次標(biāo)定

圖3 管節(jié)內(nèi)特征點(diǎn)布設(shè)Fig.3 Layout of the feature pointsin tube

二次舾裝后管節(jié)出塢前完成對(duì)測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡與管節(jié)頂面特征點(diǎn)的關(guān)系測(cè)量，結(jié)合在干塢內(nèi)的標(biāo)定結(jié)果，確定測(cè)量塔頂GPS天線、棱鏡與管節(jié)各特征點(diǎn)之間的關(guān)系，從而計(jì)算出測(cè)量塔上特征點(diǎn)的管節(jié)坐標(biāo)。在管節(jié)頂部有P1、P2、P3、P4四個(gè)平面位置點(diǎn)，在測(cè)量塔上有CLT1、CLT2、CLT3三個(gè)同軸點(diǎn)，見圖4。

圖4 測(cè)量塔及管節(jié)特征點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of featurepointsin measuring tower and tube

管內(nèi)傾斜儀標(biāo)定：在管節(jié)中部架設(shè)水準(zhǔn)儀，在沉管穩(wěn)定的狀態(tài)下觀察沉管4個(gè)角點(diǎn)的高程，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出此時(shí)沉管的橫傾與縱傾值，與軟件中顯示的傾斜儀讀數(shù)進(jìn)行比對(duì)，然后進(jìn)行改正。管節(jié)出塢前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況需進(jìn)行兩次以上的傾斜儀標(biāo)定，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

GPS天線盤位置標(biāo)定：為了保證標(biāo)定測(cè)量的精度，在管節(jié)調(diào)至接近水平并且基本保持穩(wěn)定的狀態(tài)下，在管頂架設(shè)全站儀，利用管頂特征點(diǎn)測(cè)量測(cè)量塔上3個(gè)同軸支架棱鏡（CLT1、CLT2、CLT3）的管節(jié)坐標(biāo)。

3 港珠澳大橋島隧工程應(yīng)用實(shí)例

港珠澳大橋島隧工程沉管沉放最深管節(jié)為E12，作業(yè)水深43.923 m，采用尾端測(cè)量塔定位方法進(jìn)行管節(jié)的沉放控制安裝，其中，尾端測(cè)量塔高38.2 m，水中下沉35.263 m。

4 效果分析

測(cè)量塔法的測(cè)量定位效果是測(cè)量塔所要考慮的核心問題，其主要包含精度、可靠度兩個(gè)方面。表1給出了E12管節(jié)特征點(diǎn)測(cè)量塔GPS-RTK測(cè)量和全站儀測(cè)量的檢核比對(duì)結(jié)果，表2給出了E12管節(jié)尾端定位采用測(cè)量塔GPS-RTK測(cè)量和貫通測(cè)量的比對(duì)結(jié)果。從表1到表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，測(cè)量塔定位結(jié)果和貫通測(cè)量結(jié)果相差不大，也就證明了該方法的正確性，并且從表1的數(shù)據(jù)結(jié)果可以分析得出，全站儀代替GPS進(jìn)行管節(jié)尾端絕對(duì)定位的精度可以滿足定位要求[3]。

表1 E12管節(jié)全站儀檢核比對(duì)Table1 Comparison of total station check of E12 tube

表2 E12管節(jié)尾端定位結(jié)果比對(duì)Table 2 Comparison of positioning resultsat the end of E12 tube

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)測(cè)量塔法在施工區(qū)復(fù)雜的水文氣象條件下指導(dǎo)管節(jié)沉放定位的探討，分析其適用條件和能夠達(dá)到的精度，結(jié)合測(cè)量塔定位系統(tǒng)在港珠澳大橋島隧工程淺水區(qū)向深水區(qū)沉管安裝的成功應(yīng)用，可以看出測(cè)量塔法在水下大型構(gòu)件的安裝控制測(cè)量中具有很大的發(fā)展前景。

1）測(cè)量塔法發(fā)揮各種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)，有著較高的精度和可靠性，其作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，適合于地形條件復(fù)雜地區(qū)、重點(diǎn)工程地區(qū)等，對(duì)水下大型構(gòu)件安裝施工測(cè)量具有實(shí)用參考價(jià)值。特別是在當(dāng)前特大型海底沉管隧道發(fā)展的形勢(shì)下，由于這些地區(qū)水域條件的限制，實(shí)施常規(guī)測(cè)量存在較大困難，測(cè)量塔法作業(yè)無(wú)疑是一種有效的解決手段。

2）測(cè)量塔法作業(yè)可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量。其不受人為因素的影響，整個(gè)作業(yè)過程全部由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)平差計(jì)算，極大地降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

3）總結(jié)測(cè)量塔法在淺水與深水區(qū)歷次安裝沉管的經(jīng)驗(yàn)，在測(cè)量塔結(jié)構(gòu)本身剛性符合設(shè)計(jì)要求、測(cè)量塔與沉管間的相對(duì)關(guān)系標(biāo)定精確、測(cè)量塔系統(tǒng)的傾斜儀運(yùn)行正常的條件下，測(cè)量塔法完全滿足深水區(qū)的測(cè)量定位要求。